充气管结构的承载能力分析

论文摘要

空间充气展开结构具有发射体积小、重量轻、可靠性高、造价低等突出优点,在大型空间展开结构如大型空间天线、太阳帆等领域有着广阔的应用前景。充气管作为空间充气展开结构的基本承力单元,研究其承载能力是十分必要的。本文从理论模型、数值模拟和试验分析等方面,重点研究充气薄膜管在承载过程中的屈曲行为,并研究了充气压力对充气管抗轴向压缩和弯曲载荷能力的影响。利用薄膜理论建立了充气薄膜管局部屈曲的预测模型,得到了薄膜管临界皱曲载荷和极限载荷的预报模型;对充气薄膜管的弯曲行为进行了数值模拟,得到了不同充气压力下充气管的屈曲和极限载荷;建立了充气管弯曲承载能力分析的试验装置,得到了充气管弯曲承载能力和充气压力的关系。研究了充气管受轴向压缩时的理论分析模型,对充气管的轴向压缩特征屈曲进行了数值模拟,得到了充气管的特征屈曲模态,确定了特征屈曲载荷同充气压力的关系。提出了利用梁单元模拟充气管承载特性的有限元数值分析方法,建立了相关分析流程,该方法不仅能够引入充气压力对承载能力的影响,而且有助于解决充气桁架等复杂充气结构利用膜、壳单元分析时,计算量大,局部屈曲无法收敛等难题。分别采用壳和梁单元进行充气管的屈曲特性分析,计算结果表明梁单元的精度满足工程计算的要求。最后本文用梁单元法对充气桁架在不同载荷情况下、不同几何形状、不同充气压力下的屈曲特性进行了分析,确定了充气桁架承载能力的变化规律。本文研究的分析方法和分析结果对充气结构的设计提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外在该方面的研究现状
• 1.2.1 充气管的应用
• 1.2.2 充气管屈曲研究现状
• 1.3 存在的不足以及有待解决的问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 充气薄膜管的弯曲行为分析
• 2.1 引言
• 2.2 充气薄膜管的弯曲理论分析
• 2.3 充气薄膜管的端部受载弯曲模拟分析
• 2.3.1 横向受载弯曲模拟第三主应力模拟
• 2.3.2 不同充气压力下的载荷-位移关系
• 2.4 充气薄膜管的端部受载弯曲试验
• 2.5 接缝对抗弯刚度的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 充气管的轴向压缩
• 3.1 引言
• 3.2 充气管的轴向压缩理论模型
• 3.3 充气管的轴向压缩屈曲特征模拟
• 3.3.1 充气管的静力分析
• 3.3.2 充气管特征屈曲
• 3.3.3 特征屈曲载荷同充气压力的关系
• 3.4 充气管的轴向压缩试验
• 3.5 本章小结
• 第4章 充气管屈曲特性的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 充气梁模型
• 4.3 充气梁模型和充气管模型的屈曲分析
• 4.4 充气管理论和有限单元法对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 充气桁架的模拟分析
• 5.1 引言
• 5.2 充气桁架的有限元屈曲模型分析
• 5.3 不同数量的径向力作用下的屈曲分析
• 5.3.1 力学模型及静力分析对比
• 5.3.2 屈曲形态对比
• 5.3.3 屈曲临界载荷对比
• 5.3.4 第一阶模态屈曲模态分析
• 5.4 不同截面直径下的屈曲分析
• 5.5 不同充气压力下的屈曲分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢